(57)【要約】  アノードとカソードと前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有し、前記アノード側セパレータは、前記アノードと対向する面に、前記燃料の供給側を上流とした場合に上流側から下流側に向かって断面積が段階的に拡大しているサーペンタイン型の燃料流路を有する、直接酸化型燃料電池。
2011118138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液を用いる直接酸化型燃料電池であって、
アノードとカソードと前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有し、
前記アノード側セパレータは、前記アノードと対向する面に、前記燃料の供給側を上流とした場合に上流側から下流側に向かって断面積が段階的に拡大しているサーペンタイン型の燃料流路を有する、直接酸化型燃料電池。
【請求項２】
前記サーペンタイン型の燃料流路の屈曲部において、前記断面積が拡大している、請求項１記載の直接酸化型燃料電池。
【請求項３】
前記サーペンタイン型の燃料流路は、互いに異なる断面形状の燃料流路を備えた少なくとも２つのアノード側セパレータユニットを隣接して配置することにより、前記異なる断面形状の燃料流路同士が接続されて形成されるものであり、
各アノード側セパレータユニットの前記燃料流路はその大部分をなす一定の断面形状を有する主領域と、前記主領域の少なくとも一端に連続して設けられた接続領域とを有し、
前記上流側から下流側に向かって、隣り合う前記アノード側セパレータユニットの前記主領域の断面積が段階的に拡大しており、前記接続領域の断面形状が隣り合う前記アノード側セパレータユニット同士で一致している、請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池。
【請求項４】
互いに隣り合う前記アノード側セパレータユニット同士の前記接続領域が、前記サーペンタイン型の燃料流路の屈曲部に位置している、請求項３記載の直接酸化型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料流路の前記上流側の始端から下流側に向かって、前記燃料流路の全長に対して１／５〜１／２の範囲の断面形状が同じである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料流路のうち少なくとも一部が、独立した２〜３本のサーペンタイン型の流路から構成され、前記流路は互いに並行して配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池。
【請求項７】
前記メタノール水溶液のメタノール濃度が、３ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接酸化型燃料電池に関し、特にアノード側セパレータの燃料流路の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートＰＣ、デジタルカメラ等のモバイル機器の高性能化に伴い、その電源として、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が期待されている。固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とする）の中でも、燃料としてメタノールなどの液体燃料を直接アノードへ供給する直接酸化型燃料電池は、小型軽量化に適しており、モバイル機器用電源やポータブル発電機として開発が進められている。【０００３】
燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を具備する。ＭＥＡは、電解質膜と、その両面にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（空気極）とから構成されている。アノードは、アノード触媒層とアノード拡散層からなり、カソードは、カソード触媒層とカソード拡散層からなる。ＭＥＡが一対のセパレータで挟み込まれることで、セルが構成される。アノード側セパレータは、アノードに水素ガスやメタノールなどの燃料を供給する燃料流路を有する。カソード側セパレータは、カソードに、酸素ガスや空気などの酸化剤を供給する酸化剤流路を有する。【０００４】
直接酸化型燃料電池には、いくつかの課題が存在する。
その１つは、発電特性および発電効率に関する課題である。発電特性および発電効率の低下の原因には、いくつかの要因が挙げられる。その１つは、燃料のクロスオーバーである。燃料にメタノールを用いる場合には、前記燃料のクロスオーバーは、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれ、アノードに供給された燃料のメタノールが電解質膜を透過してカソードまで移動する現象である。【０００５】
なお、水素ガスは、メタノールと比較して水に溶解しにくいため、燃料として水素ガスを用いる高分子電解質型燃料電池において、水素ガスは、電解質膜を透過してカソードまで移動することはほとんどない。つまり、燃料のクロスオーバーは、燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液を用いる場合に生じる特有の現象である。【０００６】
ＭＣＯは、カソード電位を低下させるため、出力を低下させる。また、電解質膜を透過してカソードに達したメタノールが酸化剤と反応することで、酸化剤を余分に消費するため、酸化剤流路の下流側において、酸化剤不足によって出力が低下する。同時に、燃料も余分に消費するため、発電効率も低下する。【０００７】
ＭＣＯを低減するには、アノード触媒層から電解質膜に到達するメタノールの量を低減することが有効と考えられ、そのための手段として、アノード触媒層に供給されるメタノールの量を低減することが有効と考えられる。しかし、アノード全体に渡ってメタノールの供給量を低減すると、燃料流路の下流側でメタノールが不足し、その結果、濃度過電圧の増加による出力の低下が起こる。【０００８】
ところで、ＭＣＯを低減することを目的としているわけではないが、特許文献１には、水素ガスを燃料に用いる固体高分子型燃料電池において、燃料流路の入口から出口まで、燃料ガスの密度ρと速度ｖの逆数との積ρ／ｖを一定にするために、アノード側セパレータの燃料流路の断面積を、燃料ガスの流通方向の上流から下流に向かうにしたがって大きくする技術が提案されている。特許文献１においては、アノード側セパレータの燃料流路の幅あるいは深さを、燃料ガスの流通方向の上流から下流に向かうにしたがって、連続的に変化させている。【０００９】
また、同様に、ＭＣＯを低減することを目的としているわけではないが、特許文献２には、水素ガスを燃料に用いる固体高分子型燃料電池において、燃料流路に生じた水滴の排出性を向上させるために、アノード側セパレータの燃料流路の幅を、燃料流路の燃料入口から燃料出口に向かってステップ的に拡大する技術が提案されている。特許文献２においては、燃料流路は、互いに並行して配置された多数の直線状の流路（パラレル型流路）から構成され、流路の幅がステップ的に拡大する部分は、流路の直線状部分に位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３１７４２６号公報
【特許文献２】特開２００９−０６４７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、燃料流路の上流側でメタノールクロスオーバーを低減し、かつ燃料流路の下流側でメタノールの供給量を確保して、出力の低下を回避することにより、優れた発電特性および発電効率を示す直接酸化型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の直接酸化型燃料電池は、アノード、カソード、およびそれらの間に配置された電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、前記カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有する。前記アノード側セパレータは、前記アノードと対向する面に、前記燃料の供給側を上流とした場合に上流側から下流側に向かって断面積が段階的に拡大しているサーペンタイン型の燃料流路を有する。本発明の直接酸化型燃料電池は、燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液を用いる。前記断面積は、前記サーペンタイン型の燃料流路の屈曲部において拡大していることが好ましい。【００１３】
前記サーペンタイン型の燃料流路は、互いに異なる断面形状の燃料流路を備えた少なくとも２つのアノード側セパレータユニットを隣接して配置することにより、前記異なる断面形状の燃料流路同士が接続されて形成されることが好ましい。このとき、各アノード側セパレータユニットの前記燃料流路はその大部分をなす一定の断面形状を有する主領域と、前記主領域の少なくとも一端部に連続して設けられた接続領域とを有し、前記上流側から下流側に向かって、隣り合う前記アノード側セパレータユニットの前記主領域の断面積が段階的に拡大しており、前記接続領域の断面形状が隣り合う前記アノード側セパレータユニット同士で一致していることが好ましい。【００１４】
互いに隣り合う前記アノード側セパレータユニット同士の前記接続領域は、前記サーペンタイン型の燃料流路の屈曲部に位置していることがさらに好ましい。【００１５】
前記上流側の始端から下流側に向かって、前記燃料流路の全長の１／５〜１／２までの流路部分の断面形状は同じであることが好ましい。【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、前記燃料流路のうち少なくとも一部は、互いに並行して配置された独立した２〜３本のサーペンタイン型の流路から構成されていてもよい。【００１７】
前記燃料のメタノールの濃度は、３ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料流路の上流側ではＭＣＯを低減でき、燃料流路の下流側ではメタノールの供給量を確保することができる。ＭＣＯに由来する出力の低下と、メタノールの供給量不足に由来する出力の低下とを両方抑制できるため、燃料電池の発電特性と発電効率を大幅に向上させることができる。【００１９】
また、アノード側セパレータの燃料流路の断面積を段階的に拡大することで、流路の形成工程を簡易化し、アノード側セパレータの製造にかかる時間およびコストを大幅に削減することができる。さらに、燃料流路をサーペンタイン型とすることで、流路を流れにくい液体燃料を用いる直接酸化型燃料電池でも、液体燃料を安定してセル全体に供給することができる。【００２０】
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示す直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た上面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その方線方向から見た上面図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その方線方向から見た上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の直接酸化型燃料電池は、アノードと、カソードと、それらの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体と、アノードに対向するように配置されたアノード側セパレータと、カソードに対向するように配置されたカソード側セパレータと、が積層された少なくとも１つのセルを有する。アノード側セパレータは、アノードと対向する面に、サーペンタイン型の燃料流路を有する。前記燃料流路の断面積は、燃料の供給側を上流とした場合に上流側から下流側に向かって段階的に拡大している。なお、燃料流路は、アノード全体に十分に燃料を供給できるような形態で、アノード側セパレータに形成されることが好ましい。
【００２３】
図１に、本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池の縦断面を模式的に示す。図２に、図１の直接酸化型燃料電池に含まれるアノード側セパレータの燃料流路が設けられた面を、その法線方向から見た上面図により示す。
【００２４】
図１の燃料電池１は、アノード１１、カソード１２、およびアノード１１とカソード１２との間に介在する電解質膜１０を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を有する。膜電極接合体１３の一方の面の周縁部には、アノード１１を封止するようにガスケット２２が配置され、他方の面の周縁部には、カソード１２を封止するようにガスケット２３が配置されている。膜電極接合体１３は、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５に挟持されている。アノード側セパレータ１４は、アノード１１に接し、カソード側セパレータ１５は、カソード１２に接している。アノード側セパレータ１４は、アノード１１に燃料を供給する燃料流路２０を有する。カソード側セパレータ１５は、カソード１２に酸化剤を供給する酸化剤流路２１を有する。
【００２５】
図２に示されるように、アノード側セパレータ１４には、サーペンタイン型の燃料流路２０が設けられている。燃料流路２０は、複数の直線部２０１および隣接する直線部２０１を接続する複数の屈曲部２０２を有する。各直線部２０１は互いに平行、あるいはそれに近い状態に配置することができる。燃料流路２０の一方の端は、燃料入口４３に接続され、燃料流路２０の他方の端は、燃料出口４４に接続されている。燃料は、燃料入口４３から、燃料流路２０を通って、燃料出口４４に流れる。燃料流路２０の断面積は、燃料の供給側を上流とした場合に上流側から下流側に向かって段階的に拡大している。なお、図２では、燃料流路の幅を変化させて、燃料流路の断面積を変化させる場合を示している。
【００２６】
燃料流路２０の断面積は、例えば２〜１０段階に変化させることが好ましく、３〜５段階に変化させることがより好ましい。燃料流路の断面積を段階的に拡大することにより、例えば燃料流路の断面積を連続的に拡大する場合と比較して、アノード側セパレータ１４の製造にかかる時間およびコストを大きくすることがない。さらには、断面積を変化させるときの流路の断面の形状および断面積の変化の割合を制御しやすい。
【００２７】
サーペンタイン型の燃料流路２０は、互いに異なる断面形状の燃料流路を備えた少なくとも２つのアノード側セパレータユニットを隣接して配置することにより、異なる断面形状の燃料流路同士が接続されて形成されることが好ましい。このように、複数のアノード側セパレータユニットを使用して燃料流路２０を形成すれば、断面積が段階的に拡大する燃料流路２０を有するアノード側セパレータ１４を容易に形成することができる。詳言すれば、例えば、アノード側セパレータユニットのアノードに対向する面を、研削加工または切削加工により掘削して燃料流路２０を形成する場合には、１つのアノード側セパレータユニットに対して、１つの研削工具または１つの切削工具を使用するだけで燃料流路２０を形成することができる。よって、各アノード側セパレータユニットを効率的に製造することができる。
【００２８】
このとき、燃料流路２０は、その大部分をなす一定の断面形状を有する主領域と、主領域の少なくとも一端部に連続して設けられた接続領域とを有し、燃料流路の上流側から下流側に向かって、隣り合うアノード側セパレータユニットの主領域の断面積が段階的に拡大しており、接続領域の断面形状が隣り合うアノード側セパレータユニット同士で一致していることが好ましい。
このことを、図２を参照しながら説明する。図２には、アノード側セパレータ１４が３つのユニットから構成される場合を示す。ここで、流路の断面形状とは、燃料の流れ方向とは垂直な断面における流路の形状のことをいう。
【００２９】
図２に示されるアノード側セパレータ１４は、隣接して配置された３つのユニット、つまり上流部ユニット５０、中流部ユニット５１および下流部ユニット５２から構成されている。上流部ユニット５０には、燃料入口４３および燃料流路２０の上流部４０が設けられ、中流部ユニット５１には、燃料流路２０の中流部４１が設けられ、下流部ユニット５２には、燃料流路２０の下流部４２および燃料出口４４が設けられている。
【００３０】
上流部４０は、燃料流路２０の始端から始まり、一定の断面形状を有する主領域４０ａを有する。主領域４０ａは、上流部４０の大部分を占める。中流部４１は、その大部分を占める主領域４１ａを有する。主領域４１ａは、上流部ユニット５０の主領域４０ａよりも断面積の大きな流路からなる。下流部４２は、その大部分を占める主領域４２ａを有する。主領域４２ａは、燃料流路２０の終端を含み、中流部ユニット５１の主領域４１ａよりも断面積の大きな流路からなる。さらに、上流部４０は、主領域４０ａの下流側の端部に連続して設けられた接続領域４０ｂを有する。中流部４１は、主領域４１ａの上流側の端部および下流側の端部にそれぞれ連続して設けられた上流側接続領域４１ｂおよび下流側接続領域４１ｃを有する。下流部４２は、主領域４２ａの上流側の端部に連続して設けられた接続領域４２ｂを有する。
【００３１】
ここで、燃料流路の始端とは、燃料入口４３から流入した燃料が、燃料流路２０を流れ、発電領域５７と初めて接触しているとみなされる燃料流路の箇所をいう。例えば、図２において、燃料の発電領域５７への入口５５を、始端とすることができる。燃料流路の終端とは、燃料が燃料流路２０を流れ、発電領域５７と最後に接触しているとみなされる燃料流路の箇所をいう。例えば、図２において、燃料の発電領域５７からの出口５６を、終端とすることができる。発電領域５７は、ＭＥＡのアノード１１が存在する部分である。
【００３２】
上流部４０の主領域４０ａと中流部４１の主領域４１ａとは、上流部４０の接続領域４０ｂと中流部４１の上流側接続領域４１ｂとが接続部５３で接続されることにより、連通している。同様に、中流部４１の主領域４１ａと下流部４２の主領域４２ａとは、中流部４１の下流側接続領域４１ｃと下流部４２の接続領域４２ｂとが接続部５４で接続されることにより、連通している。
【００３３】
ここで、接続部５３において、上流部４０の接続領域４０ｂの断面形状と中流部４１の上流側接続領域４１ｂの断面形状とは同じである。また、接続部５４において、中流部４１の下流側接続領域４１ｃの断面形状と下流部４２の接続領域４２ｂの断面形状とは同じである。つまり、上流部ユニット５０の接続領域４０ｂと中流部ユニット５１の上流側接続領域４１ｂのうち少なくとも一方の接続領域を構成する流路の断面形状が、その主領域の断面形状とは異なっている。同様に、中流部ユニット５１の下流側接続領域４１ｃと下流部ユニット５２の接続領域４２ｂの少なくとも一方の接続領域を構成する流路の断面形状が、その主領域の断面形状とは異なっている。なお、図２においては、上流部４０の接続領域４０ｂに、断面形状が中流部４１の上流側接続領域４１ｂと同じ領域を設けている。また、中流部４１の下流側接続領域４１ｃに、断面形状が下流部４２の接続領域４２ｂと同じ領域を設けている。
【００３４】
このように、複数のセパレータユニットに、それぞれ断面積の異なる主領域を設けておき、燃料流路の上流側から下流側に向かって主領域の断面積が大きくなるように、複数のセパレータユニットを隣接して配置することにより、燃料流路の断面積を、上流側から下流側に向かって段階的に拡大することができる。
なお、図２において、上流部４０と中流部４１の接続部５３および中流部４１と下流部４２の接続部５４はそれぞれ異なる屈曲部に位置している。さらに、燃料流路の断面積は、接続部５３近傍および接続部５４近傍で、それぞれ拡大している。
【００３５】
アノード側セパレータにサーペンタイン型の燃料流路を設け、前記燃料流路の断面積を、燃料流路の上流側から下流側に向かって拡大することにより、燃料流路を流れる燃料の流速を、燃料の上流側ほど速く、下流側ほど遅くすることができる。燃料の濃度が高くＭＣＯが多くなってしまう燃料流路上流側において、燃料の流速を速くすることで、アノード触媒層へ拡散していく燃料の量を少なくし、ＭＣＯを低減することができる。同時に、燃料の濃度が低く濃度過電圧が大きくなってしまう燃料流路下流側では、燃料の流速を遅くすることで、アノード触媒層へ拡散していく燃料の量を多くし、濃度過電圧を低減することができる。なお、燃料流路の下流側では、流れる燃料の濃度が低いため、ＭＣＯはそれほど多くはならない。
【００３６】
つまり、アノード側セパレータに、上流側から下流側に向かって断面積が段階的に拡大しているサーペンタイン型の燃料流路を設けることにより、燃料流路の上流側ではＭＣＯを低減でき、燃料流路の下流側ではメタノールの供給量を確保することができる。よって、本発明により、ＭＣＯに由来する出力の低下と、メタノールの供給量不足に由来する出力の低下とを両方抑制でき、その結果、燃料電池の発電特性と発電効率を大幅に向上させることができる。
【００３７】
なお、図２では、各セパレータユニットに、１種類の主領域を設けている。
【００３８】
なお、特許文献２は、パラレル型の燃料流路についての技術であるが、本発明者らの知見によると、直接酸化型燃料電池における燃料流路としては、パラレル型よりもサーペンタイン型流路の方が優れた発電特性を得られることが分かった。この理由は、以下のように考えられる。直接酸化型燃料電池においては、燃料が液体であるために水素ガスに比べて燃料流路内を流れにくい。このため、燃料流路が互いに並行して配置された多数の流路から構成されると、ＣＯ2の気泡の生成などによってそのうちの１つの流路に抵抗が生じた場合には、それ以外の流路へと優先的に流れやすくなり、抵抗を生じた流路には燃料が供給されなくなる現象が起こりやすいためであると考えられる。
【００３９】
一方で、サーペンタイン型の燃料流路２０においては、燃料の流れる方向が大きく変化するために、屈曲部２０２において、燃料の流れが滞りやすくなる。また、ＣＯ2の気泡や燃料の液滴などは、屈曲部２０２に停滞しやすく、燃料のスムーズな流れの障害となる可能性がある。そこで、燃料の流れをよりスムーズとするために、燃料流路２０の断面積は、屈曲部２０２で拡大していることが好ましい。具体的には、アノード側セパレータの燃料流路の断面積が拡大している部分が、燃料流路２０の屈曲部２０２に位置していることが好ましい。屈曲部２０２に、燃料流路の断面積が拡大している部分が位置していると、燃料の流れが滞留することを抑制することができる。このため、燃料流路の下流側での燃料不足による発電出力の低下を抑制することができる。
【００４０】
燃料流路の断面積が拡大している部分は、屈曲部２０２に位置すれば、屈曲部２０２の任意の位置に配置してもよい。例えば、図２に示されるように、燃料流路の断面積が拡大している部分は、屈曲部２０２と直線部２０１との接続部とは異なる位置に配置されていてもよい。あるいは、図３に示されるように、燃料流路の断面積が拡大している部分は、屈曲部と直線部との接続部に位置していてもよい。図３において、図２と同様の構成要素には、同様の番号を付しており、図３においても、燃料流路の幅を変化させて、燃料流路の断面積を変化させる場合を示している。
【００４１】
図３のアノード側セパレータ６４において、燃料流路６０は、複数の直線部６０１および隣接する直線部６０１を接続する複数の屈曲部６０２を有する。燃料流路６０の上流部４０の下流側の接続領域６３と中流部４１の上流側接続領域８１とが、接続部６１で接続されている。接続部６１では、上流部４０を構成する最も下流側に位置する直線部６０１ａの下流側の端と、中流部４１を構成する最も上流側に位置する屈曲部６０２ａの上流側の端とが接続されている。
【００４２】
同様に、燃料流路６０の中流部４１の下流側接続領域６５と、下流部４２の上流側の接続領域６６とが、接続部６２で接続されている。接続部６２では、中流部４１を構成する最も下流側に位置する直線部６０１ｂの下流側の端と、下流部４２を構成する最も上流側に位置する屈曲部６０２ｂの上流側の端とが接続されている。
【００４３】
図３に示されるように、燃料流路の断面積が拡大している部分、つまり屈曲部と直線部との接続部が、隣接するセパレータユニットに設けられた流路の接続部に位置する場合、接続領域を構成する流路の端のみの断面形状を変化させればよい。よって、容易に燃料流路を形成することができる。
【００４４】
アノード側セパレータを構成するセパレータユニットの数は、燃料流路の断面積を増加させる数に応じて、適宜選択される。
【００４５】
なお、上記図２および３では、アノード側セパレータが２つ以上のセパレータユニットから構成される場合について説明したが、１枚の矩形のアノード側セパレータに、図２または３に示される燃料流路を形成してもよい。
【００４６】
アノード側セパレータに設けられる燃料流路は、燃料入口から燃料出口まで、１本のサーペンタイン型の流路で構成されていてもよい。または、燃料流路の少なくとも一部分が、互いに並行して配置された、独立した２〜３本のサーペンタイン型の流路から構成されていてもよい。この一例を図４に示す。図４において、アノード側セパレータに設けられた燃料流路は、互いに並行に配置された独立した２本のサーペンタイン型流路から構成される。図４においても、燃料流路の幅を変化させて、燃料流路の断面積を変化させる場合を示している。
【００４７】
図４のアノード側セパレータ７０には、燃料流路として、互いに並行に配置された独立した２本のサーペンタイン型流路７１、７２が設けられている。サーペンタイン型の流路７１は、複数の直線部７１１および隣接する直線部７１１を接続する複数の屈曲部７１２を有する。同様に、サーペンタイン型の流路７２は、複数の直線部７２１および隣接する直線部７２１を接続する複数の屈曲部７２２を有する。流路７１の一方の端は燃料入口７３に接続され、他方の端は燃料出口７４に接続されている。同様に、流路７２の一方の端は、燃料入口７３に接続され、他方の端は燃料出口７４に接続されている。なお、燃料は、燃料入口７３から、流路７１、７２を通って、燃料出口７４に流れる。
【００４８】
図４の各流路７１、７２において、上流側から下流側に向かって、流路の断面積が３段階に拡大されている。例えば、流路７１において、上流部７１ａは、流路７１の燃料入口７３側の始端から、直線部７１１ａの下流側の端までを占める。中流部７１ｂは、屈曲部７１２ａの上流側の端から、直線部７１１ｂの下流側の端までを占める。下流部７１ｃは、屈曲部７１２ｂの上流側の端から、流路７１の燃料出口７４側の終端までを占める。つまり、流路７１において、上流部７１ａは、接続部７５で中流部７１ｂと接続され、中流部７１ｂは、接続部７７で下流部７１ｃに接続されている。
【００４９】
同様に、流路７２において、上流部７２ａは、流路７２の燃料入口７３側の始端から、直線部７２１ａの下流側の端までを占める。中流部７２ｂは、屈曲部７２２ａの上流側の端から、直線部７２１ｂの下流側の端までを占める。下流部７２ｃは、屈曲部７２２ｂの上流側の端から、流路７２の燃料出口７４側の終端までを占める。つまり、流路７２において、上流部７２ａは、接続部７６で中流部７２ｂと接続され、中流部７２ｂは、接続部７８で下流部７２ｃに接続されている。なお、図４において、接続部７５〜７８は、仮想的に鎖線で示している。
【００５０】
なお、流路内を流れにくい液体燃料を用いる直接酸化型燃料電池でも、燃料流路が互いに並行な２〜３本までの流路から構成される場合であれば、パラレル型流路で見られるような燃料の供給の不安定化を引き起こす状態とはなりにくい。たとえ３本の並行な流路のうち１〜２本の流路が一時的に燃料の流れない状態となったとしても、最低でもアノードの面積全体の１／３までは燃料が供給される。この状態であれば、燃料電池を運転することは可能である。しかし、互いに並行な独立した流路が４本以上となると、燃料が流れない状態となる可能性のある流路の本数が増え、燃料の供給が不安定になりやすい。さらに、燃料が供給される面積が１／４以下にまで低下する可能性がある。この場合、燃料電池を運転することが困難となる可能性がある。燃料流路が、互いに並行な独立した４本以上のサーペンタイン型流路から構成される場合、このような燃料流路は、サーペンタイン型とはみなすことができず、パラレル型に近いと言える。
【００５１】
図４のアノード側セパレータは、２つ以上のセパレータユニットから構成されていてもよい。あるいは、図４のアノード側セパレータは、１枚の矩形のセパレータに、図４に示されるような燃料流路を形成することにより作製してもよい。
なお、図４のアノード側セパレータが２つ以上のセパレータユニットから構成される場合、各ユニットに形成される流路部分の範囲は、作製の容易さ等に応じて、適宜選択される。
【００５２】
燃料流路の断面形状は、燃料流路の始端から下流側に向かって、燃料流路の全長に対して１／５〜１／２の範囲で同じであることが好ましい。例えば、アノード側セパレータが複数のセパレータユニットから構成される場合、最も上流側に位置するアノード側セパレータユニットに設けられた燃料流路において、燃料流路の始端から、燃料流路の全長の１／５〜１／２の領域を、主領域が占めることが好ましい。この領域において、特に燃料のクロスオーバーが大きくなる傾向がある。よって、この領域において、燃料のクロスオーバーを低減することにより、燃料電池の発電特性および発電効率をさらに向上させることができる。
【００５３】
燃料流路が、図２および３に示されるように、１つの流路から構成される場合、断面積が異なる複数の流路部分の長さは、それぞれ、同じであってもよいし、異なってもよい。なお、図２および３では、上流部、中流部、および下流部の３つの部分におけるそれぞれの流路の長さが同じである場合を示している。
【００５４】
燃料流路が、図４に示されるように、２以上の独立した流路を有する場合、各流路の長さは、同じであってもよいし、異なってもよい。また、各流路に設けられた断面積が異なる複数の流路部分の長さは、それぞれ同じであってもよいし、異なってもよい。なかでも、２以上の独立した流路の長さはそれぞれ同じであることが好ましく、各流路に設けられた断面積が異なる複数の流路部分の長さは、それぞれ同じであることが好ましい。これにより、各流路内の圧損が同じになり、各流路に燃料が均一に流入しやすくなるからである。なお、図４では、流路７１および７２の長さが同じであり、かつ流路７１の上流部７１ａの長さは、流路７２の上流部７２ａの長さと同じとし、流路７１の中流部７１ｂの長さは、流路７２の中流部７２ｂの長さと同じとし、流路７１の下流部７１ｃの長さは、流路７２の下流部７２ｃの長さと同じとしている。
【００５５】
燃料流路の最も下流側に位置する断面積が最も大きい流路は、燃料流路の終端から、燃料流路上流側に向かって、燃料流路の全長の１／３〜１／５までの領域を占めることが好ましい。この領域において、特に燃料のメタノール濃度の低下による濃度過電圧の増加が起こりやすくなる傾向がある。よって、この領域において、燃料の流れる流速を遅くし、アノード触媒層への燃料の供給量を多くすることより、燃料電池の発電特性をさらに向上させることができる。
【００５６】
燃料流路の断面形状は、通常、長方形または正方形である。このような断面形状の流路は加工が簡易であり、断面形状の制御をしやすいためである。燃料流路の断面積を変化させるには、燃料流路の幅および深さの少なくとも一方を変化させることが好ましい。このとき、燃料流路の深さは、燃料流路の上流側から下流側に向かって同じとし、燃料流路の幅を、燃料流路の上流側から下流側に向かって段階的に拡大させることが好ましい。流路流路の幅のみを燃料の上流側から下流側に向かって段階的に拡大することで、燃料の流れる流速と、燃料がアノードへと拡散していくための拡散性の両方を、適正に制御しやすくなる。
【００５７】
燃料流路の最も上流側に位置する部分（最も断面積が小さい部分）の断面積Ｗｕと、燃料流路の最も下流側に位置する部分（最も断面積が大きい部分）の断面積Ｗｌとの比Ｗｌ／Ｗｕは、１．５〜１０であることが好ましく、２〜５であることがさらに好ましい。断面積の比Ｗｌ／Ｗｕを上記範囲とすることにより、燃料の上流部において燃料のクロスオーバーを十分に低減することができるとともに、燃料の下流部において燃料を十分に供給することができる。このため、燃料電池の発電特性および発電効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
燃料流路の断面積が３段階以上に拡大される場合、つまり、燃料流路の上流部と下流部との間に１つ以上の中流部が設けられる場合、中流部の燃料流路の断面積（上流側から順にＷｍ１、Ｗｍ２、・・・、Ｗｍとする）は、上流部における燃料流路の断面積Ｗｕと、下流部における燃料流路の断面積Ｗｌとに応じて、適宜選択される。例えば、隣接して連通した断面積の異なる２つの流路部分の断面積の比Ｗｍ１／Ｗｕ、Ｗｍ２／Ｗｍ１、・・・、Ｗｌ／Ｗｍが、それぞれほぼ同じ値となるように、Ｗｍ１、Ｗｍ２、・・・、Ｗｍを選択してもよい。あるいは、例えば、Ｗｍ１／ＷｕがＷｍ２／Ｗｍ１よりも大きくなるように選択してもよいし、逆にＷｍ２／Ｗｍ１がＷｍ１／Ｗｕよりも大きくなるように選択してもよい。隣接して連通する断面積の異なる２つの流路部分の断面積の比は、ＭＥＡの特性および大きさ、燃料ポンプの性能などに応じて、適宜選択される。
【００５９】
なお、燃料流路が２つ以上の独立した流路から構成される場合、各流路において、流路の断面形状が、流路の上流側の始端から下流側に向かって、流路の全長に対して１／５〜１／２の範囲で同じであることが好ましい。また、各流路の最も下流側に位置する断面積が最も大きい流路部分は、流路の終端から、流路上流側に向かって、燃料流路の全長の１／３〜１／５までの領域を占めることが好ましい。さらに、各流路において、最も上流側に位置する流路部分の断面積Ｗｕと、最も下流側に位置する流路部分の断面積Ｗｌとの比Ｗｌ／Ｗｕは、１．５〜１０であることが好ましく、２〜５であることがさらに好ましい。
【００６０】
アノード側セパレータの構成材料は特に限定されない。電子伝導性および耐酸性の高さ、物質透過性の低さ、加工性の高さなどから、アノード側セパレータの構成材料として、炭素材料、カーボン被覆した金属材料などを用いることが好ましい。
【００６１】
アノード側セパレータに形成される燃料流路の加工方法としては、例えば、リューターなどで掘削する方法、金型を用いてプレス加工などを行う方法、レーザーなどでエッチングする方法など、当該分野で一般に知られている方法を用いることができる。前記加工方法は、形成する燃料流路の大きさ、形状などに応じて、適宜選択することができる。
【００６２】
燃料流路の断面積は、ＭＥＡのサイズ、燃料の流量、燃料ポンプの能力などにもよるため、一概に適切な範囲を決めることはできないが、例えば、幅０．５ｍｍ×深さ０．５ｍｍ〜幅２ｍｍ×深さ１ｍｍとすることが挙げられる。燃料流路の断面積が上記範囲よりも大幅に小さすぎると、燃料のスムーズな流れが阻害され、発電特性が低下することがある。また、燃料流路の断面積が上記範囲よりも大幅に大きすぎると、特に燃料流路の上流側での燃料の供給量が大きくなりすぎ、ＭＣＯが多くなってしまうことがある。
【００６３】
なお、本発明では、燃料流路の断面積が拡大している部分以外は、一定の断面積を有するが、サーペンタイン型流路の加工精度などにより、特に流路の屈曲部では、必ずしも直線部と全く同じ断面積とならないことがある。この場合であっても、燃料流路の上流側から下流側に向かって燃料流路の断面積が段階的に拡大していれば、本発明の効果が同様に得られる。
【００６４】
燃料流路の断面積を燃料流路の上流側から下流側に向かって段階的に拡大することにより得られる効果は、燃料として、３ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌの濃度でメタノールを含有するメタノール水溶液を用いる場合に、特に顕著に得られる。燃料に含まれるメタノールの濃度が高いほどＭＣＯが大きくなるため、メタノールの濃度がある程度高い方が、燃料流路の断面積を変化させることによるＭＣＯを抑制する効果が大きい。一方、燃料の濃度が高いほど燃料電池システム全体としての小型軽量化につながるが、同時に、ＭＣＯが多くなるおそれがある。本発明によれば、ＭＣＯを低減することができるため、通常よりもメタノール濃度が高いメタノール水溶液を用いることができるが、燃料に含まれるメタノールの濃度が８ｍｏｌ／Ｌを超えると、ＭＣＯがもともと大きいため、本発明によるＭＣＯを低減する効果が十分に得られない場合がある。上記のメタノール濃度を有する燃料を用いることで、本発明のアノード側セパレータの燃料流路において、ＭＣＯを低減する効果を適切に得ることができる。
なお、メタノールを含む燃料は、所定の燃料タンクに収容しておくことができる。この場合、燃料は、所定の燃料ポンプを用いて、アノードに供給できる。
【００６５】
本発明の直接酸化型燃料電池は、上記のように、アノード側セパレータに特徴を有する。アノード側セパレータ以外の構成要素は、特に限定されず、例えば従来の直接酸化型燃料電池と同様の構成要素を用いることができる。以下、図１を再度参照しながら、アノード側セパレータ以外の構成要素について説明する。
【００６６】
カソード１２は、電解質膜１０に接するカソード触媒層１８およびカソード側セパレータ１５に接するカソード拡散層１９を含む。カソード拡散層１９は、例えば、カソード触媒層１８に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ１５に接する基材層とを含む。
【００６７】
カソード触媒層１８は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高い白金などの貴金属が好ましい。また、白金とコバルトなどとの合金をカソード触媒として用いることもできる。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料および炭化水素系高分子材料を用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。
【００６８】
カソード触媒層１８は、例えば、以下のようにして作製することができる。例えば、カソード触媒または担体に担持されたカソード触媒と、高分子電解質と、水、アルコールなどの分散媒とを混合して、カソード触媒層インクを調製する。得られたインクを、ドクターブレード法、スプレー塗布法などを用いて、ＰＴＦＥからなる基材シートなどに塗布し、乾燥することで、カソード触媒層１８が得られる。このようにして得られたカソード触媒層１８を、ホットプレス法などで電解質膜１０上に転写する。
または、前記カソード触媒層インクを、電解質膜１０に塗布し、乾燥することにより、電解質膜１０上に、カソード触媒層１８を直接形成してもよい。
【００６９】
アノード１１は、電解質膜１０に接するアノード触媒層１６およびアノード側セパレータ１４に接するアノード拡散層１７を含む。アノード拡散層１７は、例えば、アノード触媒層１６に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ１４に接する基材層とを含む。
【００７０】
アノード触媒層１６は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、触媒活性の高い白金などの貴金属を用いることができる。また、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、アノード触媒として、白金とルテニウムとの合金触媒を用いてもよい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層１６に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層１８に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。
アノード触媒層１６は、カソード触媒層１８と同様にして作製することができる。
【００７１】
アノード拡散層１７およびカソード拡散層１９に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。具体的には、前記導電剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛などの炭素粉末材料、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバなどのカーボン繊維等が挙げられる。導電剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００７２】
導電性撥水層に含まれる撥水剤は、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。具体的には、前記撥水剤としては、例えば、フッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂としては、公知の材料を特に限定することなく用いることができる。前記フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂、ポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。これらの中でも、ＰＴＦＥ、ＦＥＰなどが好ましい。撥水剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００７３】
導電性撥水層は、基材層の表面に形成される。導電性撥水層を形成する方法は特に限定されない。例えば、導電剤と撥水剤を、所定の分散媒に分散させて、導電性撥水層ペーストを調製する。導電性撥水層ペーストを、ドクターブレード法またはスプレー塗布法によって、基材層の片面に塗布し乾燥させる。こうして、基材層の表面に導電性撥水層を形成することができる。
【００７４】
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。中でも、導電性の多孔質材料としては、燃料または酸化剤の拡散性に優れるとともに、高い電子伝導性を有する材料が好ましい。このような材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布などが挙げられる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。多孔質材料に撥水剤を含ませる方法は特に限定されない。例えば、撥水剤の分散液に多孔質材料を浸漬し、これを乾燥することで、撥水剤を含んだ多孔質材料からなる基材層が得られる。
【００７５】
電解質膜１０としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等が挙げられる。炭化水素系高分子膜としては、例えばスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド等が挙げられる。なかでも、炭化水素系高分子膜を、電解質膜１０として用いることが好ましい。炭化水素系高分子膜を用いることで、スルホン酸基のクラスタ構造の形成を抑制し、電解質膜１０の燃料の透過性を低減することができる。これにより、燃料のクロスオーバーをさらに低減することができる。電解質膜１０の厚みは、２０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。
【００７６】
図１に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜１０の一方の面にアノード１１を、他方の面にカソード１２を、ホットプレス法などを用いて接合して、膜電極接合体１３を作製する。次いで、膜電極接合体１３を、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５で挟み込む。このとき、膜電極接合体１３のアノード１１をガスケット２２で封止し、カソード１２をガスケット２３で封止するように、電解質膜１０とアノード側セパレータ１４の間にガスケット２２を配置し、電解質膜１０とカソード側セパレータ１５の間にガスケット２３を配置する。その後、アノード側セパレータ１４およびカソード側セパレータ１５の外側に、それぞれ、集電板２４および２５、絶縁板２６および２７、端板２８および２９を積層し、これらを締結する。さらに、端板２８および２９の外側に、温度調整用のヒータ３０および３１を積層する。このようにして、図１の燃料電池１を得ることができる。
【００７７】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７８】
《実施例１》
（ａ）アノード側セパレータの作製
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図３に示されるような燃料流路を形成することにより、作製した。具体的には、燃料流路として、１本のサーペンタイン型の流路を用いた。前記サーペンタイン型の流路は、１４箇所の屈曲部および１５本の直線部を有した。燃料流路の断面形状は長方形とし、燃料流路の深さは、燃料流路の始端から終端まで１．０ｍｍで一定とした。
【００７９】
燃料流路の上流部となる始端から５本目の直線部までは流路の幅を１．０ｍｍとした。中流部となる５番目の屈曲部の上流側の端から１０本目の直線部までは、流路の幅を１．５ｍｍとした。下流部となる１０番目の屈曲部の上流側の端から流路終端までは、流路の幅を２．０ｍｍとした。なお、所定の直線部の幅の中心から隣の直線部の幅の中心までの垂直距離は３．０ｍｍで一定とし、流路の幅が３段階で拡大していく分、直線部間のリブ部の幅を３段階で細くした。ここで、直線部の幅は、直線部を流れる燃料の流れ方向に垂直な方向における直線部の長さをいう。
なお、１本目の直線部の燃料の流れ方向に平行な外端から１５本目の直線部の燃料の流れ方向に平行な外端までの合計の長さＡは、４３．５ｍｍとなる。屈曲部の外端から次の屈曲部の外端までの長さ（垂直距離）Ｂは、すべて４５ｍｍとした。
【００８０】
（ｂ）カソード触媒層の作製
カソード触媒とカソード触媒を担持する触媒担体とを含むカソード触媒担持体を用いた。カソード触媒として、Ｐｔ触媒を用いた。触媒担体としては、カーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）を用いた。Ｐｔ触媒とカーボンブラックとの合計重量に占めるＰｔ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。
前記カソード触媒担持体をイソプロパノール水溶液に分散させた液と、高分子電解質であるナフィオン（登録商標）の分散液（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ナフィオン５重量％溶液）とを混合し、カソード触媒層インクを調製した。カソード触媒層インクを、ドクターブレード法を用いて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗布し、乾燥して、カソード触媒層を得た。
【００８１】
（ｃ）アノード触媒層の作製
アノード触媒として、ＰｔＲｕ触媒（原子比Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を用いた。カソード触媒の代わりに、前記アノード触媒を用いたこと以外、カソード触媒層と同様にして、アノード触媒層を作製した。なお、ＰｔＲｕ触媒とケッチェンブラックとの合計重量に占めるＰｔＲｕ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。
【００８２】
（ｄ）導電性撥水層ペーストの調製
撥水剤分散液と導電剤とを、所定の界面活性剤を添加したイオン交換水に分散混合して、導電性撥水層ペーストを調製した。撥水剤分散液としては、ＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ＰＴＦＥの含有量６０質量％）を用いた。導電剤には、アセチレンブラック（電気化学工業（株）製、デンカブラック）を用いた。
【００８３】
（ｅ）基材層の作製
アノード拡散層のアノード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンペーパー（東レ（株）製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚み２７０μｍ）を用いた。前記カーボンペーパーを、撥水剤であるＰＴＦＥを含むＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製）に浸漬させ、乾燥させた。こうして、前記カーボンペーパーに、撥水処理を施した。
カソード拡散層のカソード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンクロス（バラードマテリアルプロダクツ社製、ＡｖＣａｒｂ（登録商標）１０７１ＨＣＢ）を用いた。このカーボンクロスにも、上記と同様の方法で、撥水処理を施した。
【００８４】
（ｆ）アノード拡散層およびカソード拡散層の作製
前記（ｅ）で作製したアノード基材層の片面に、（ｄ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、アノード拡散層を作製した。同様に、前記（ｅ）で作製したカソード基材層の片面に、（ｄ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、カソード拡散層を作製した。
【００８５】
（ｇ）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
前記（ｂ）においてＰＴＦＥシート上に形成したカソード触媒層を、電解質膜（商品名：ナフィオン（登録商標）１１２、デュポン（株）製）の一方の面に積層し、前記（ｃ）においてＰＴＦＥシート上に形成したアノード触媒層を、電解質膜の他方の面に積層した。このとき、カソード触媒層およびアノード触媒層は、カソード触媒層のＰＴＦＥシートが配置された面とは反対側の面およびアノード触媒層のＰＴＦＥシートが配置された面とは反対側の面が、それぞれ電解質膜の一方の面および他方の面に接するように、積層した。この後、カソード触媒層およびアノード触媒層を電解質膜にホットプレス法によって接合するとともに、カソード触媒層およびアノード触媒層からＰＴＦＥシートを剥離した。
次いで、ホットプレス法により、カソード触媒層にカソード拡散層を接合し、アノード触媒層にアノード拡散層を接合した。こうして、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。
【００８６】
（ｈ）燃料電池の作製
ＭＥＡの外周部に露出した電解質膜の両面に、それぞれその電解質膜の露出部を全て覆うようにゴム製ガスケットを配した。その後、（ａ）で作製したアノード側セパレータ、およびカソード側セパレータで、ＭＥＡを挟持した。カソード側セパレータのカソードに接する面には、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を形成しておいた。酸化剤流路はサーペンタイン型とした。
【００８７】
次に、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの外側に、それぞれ、集電板、絶縁板、端板を、この順で積層した。得られた積層体を、所定の締結手段で締結した。端板の外側に、温度調整用のヒータを貼り付けた。こうして、実施例１の直接酸化型燃料電池（直接メタノール型燃料電池）を得た。なお、以下の評価試験において、前記集電板を、電子負荷装置に接続した。
【００８８】
（ｉ）発電特性の評価
以下のようにして、発電を行った。作製した燃料電池のカソードには空気を供給し、アノードには４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給した。燃料電池を、電子負荷装置に接続しておき、前記電子負荷装置により、発電電流を１５０ｍＡ／ｃｍ2の定電流とした。
燃料電池の温度は６０℃に保ち、空気の利用率は５０％とし、燃料の利用率は７０％とした。発電時間は、６０分間とし、６０分間の平均電圧を求めた。得られた結果を表１に示す。
【００８９】
また、燃料効率を、以下の式（１）を用いて求めた。
燃料効率＝発電電流／（発電電流＋ＭＣＯの換算電流）  （１）
なお、ＭＣＯは、以下のようにして求めた。アノードから排出された排出液のメタノール濃度をガスクロマトグラフにて測定した。アノードに供給されたメタノール濃度、発電に用いられたメタノール濃度（メタノール量）、および前記のようにして求めた、排出されたメタノール濃度を用いて、アノードにおけるメタノール収支を計算することにより、ＭＣＯを求めた。得られた結果を表１に示す。
【００９０】
《実施例２》
実施例１のアノード側セパレータの作製において、燃料流路の上流部を、燃料流路の始端から３本目の直線部までとし、その流路幅を１．０ｍｍとした。中流部を、３番目の屈曲部の上流側の端から１０本目の直線部までとし、その流路幅を１．５ｍｍとした。下流部は、１０番目の屈曲部の上流側の端から燃料流路の終端までとし、その流路幅を２．０ｍｍとした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例２の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして、発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９１】
《実施例３》
実施例１のアノード側セパレータの作製において、燃料流路の上流部を、燃料流路の始端から７本目の直線部までとし、その流路幅を１．０ｍｍとした。中流部を、７番目の屈曲部の上流側の端から１１本目の直線部までとし、その流路幅を１．５ｍｍとした。下流部を、１１番目の屈曲部の上流側の端から燃料流路の終端までとし、その流路幅を２．０ｍｍとした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例３の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９２】
《実施例４》
実施例１のアノード側セパレータの作製において、燃料流路の上流部を、燃料流路の始端から３本目の直線部までとし、その流路幅を１．０ｍｍとした。中流部は、３つの領域にさらに分割して、上流側から、第１中流部、第２中流部および第３中流部とした。第１中流部を、３番目の屈曲部の上流側から６本目の直線部までとし、その流路幅を１．２ｍｍとした。第２中流部を、６番目の屈曲部の上流側の端から９本目の直線部までとし、その流路幅を１．５ｍｍとした。第３中流部を９番目の屈曲部の上流側の端から１２本目の直線部までとし、その流路幅を１．８ｍｍとした。下流部は、１２番目の屈曲部の上流側の端から燃料流路の終端までとし、その流路幅を２．０ｍｍとした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例４の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして、発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９３】
《実施例５》
アノード側セパレータを、１枚のカーボン製プレートのアノードと対向する面に、図４に示されるように、始端から終端まで互いに並行して配置された独立した２本のサーペンタイン型の流路７１、７２からなる燃料流路を形成することにより、作製した。得られた燃料流路は、１４本の直線部および６箇所の屈曲部を有する。６箇所の屈曲部のそれぞれには、流路７１の屈曲部および流路７２の屈曲部の両方が隣接して位置している。得られた燃料流路において、例えば、流路７１から構成され、最も上流側に位置する直線部は、上流側から１番目の屈曲部で、上流側から４番目の直線部に折り返している。同時に、流路７２から構成され、上流側から２番目の直線部は、上流側から１番目の屈曲部で、上流側から３本目の直線部に折り返している。以下、同様にして、流路７１および流路７２が蛇行するように、屈曲部で折り返されている。
２つの流路７１、７２の断面形状はそれぞれ長方形とし、流路７１、７２の深さは始端から終端まで１．０ｍｍで一定とした。
【００９４】
流路７１の上流部の長さは、流路７２の上流部の長さと同じとし、流路７１の中流部の長さは、流路７２の中流部の長さと同じとし、流路７１の下流部の長さは、流路７２の下流部の長さと同じとした。具体的には、流路７１において、上流部は、流路７１の燃料入口７３側の端から、上流側から５番目の直線部７１１ａの下流側の端までを占めた。中流部は、３番目の屈曲部７１２ａの上流側の端から、上流側から９番目の直線部７１１ｂの下流側の端までを占めた。下流部は、５番目の屈曲部７１２ｂの上流側の端から、流路７１の燃料出口７４側の端までを占めた。
【００９５】
流路７２において、上流部は、流路７２の燃料入口７３側の端から、上流側から６番目の直線部７２１ａの下流側の端までを占めた。中流部は、３番目の屈曲部７２２ａの上流側の端から、１０番目の直線部７２１ｂの下流側の端までを占めた。下流部は、５番目の屈曲部７２２ｂの上流側の端から、流路７２の燃料出口７４側の端までを占めた。
流路７１、７２の上流部の流路幅は１．０ｍｍとし、中流部の流路幅は１．５ｍｍとし、下流部の流路幅は２．０ｍｍとした。なお、所定の直線部の幅の中心から隣の直線部の幅の中心までの垂直距離は３．２ｍｍで一定とした。
なお、１本目の直線部の燃料の流れ方向に平行な外端から１４本目の直線部の燃料の流れ方向に平行な外端までの合計の長さＡは、４３．１ｍｍとした。屈曲部の外端から次の屈曲部の外端までの長さＢは、すべて４５ｍｍとした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例５の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして、発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９６】
《実施例６》
実施例１のアノード側セパレータの作製において、燃料流路の幅は始端から終端まで１．０ｍｍで一定とし、燃料流路の深さを変化させた。つまり、上流部を、燃料流路の始端から５本目の直線部までとし、その流路深さを１．０ｍｍとした。中流部を、５番目の屈曲部の上流側の端から１０本目の直線部までとし、その流路深さを１．５ｍｍとした。下流部を、１０番目の屈曲部の上流側の端から燃料流路の終端までとし、その流路深さを２．０ｍｍとした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、実施例６の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして、発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９７】
《実施例７》
実施例１と同様にして、直接酸化型燃料電池を作製した。作製した燃料電池に供給するメタノール水溶液の濃度を１ｍｏｌ／Ｌとしたこと以外、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９８】
《比較例１》
実施例１のアノード側セパレータの作製において、燃料流路の幅を、始端から終端まで１．５ｍｍで一定とした。
上記で得られたアノード側セパレータを用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例１の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００９９】
《比較例２》
アノード側セパレータの作製において、パラレル型の燃料流路を作製した。具体的には、燃料流路を、互いに並行して配置された複数の直線状流路から構成した。直線状流路の数は１５本とした。各直線流路の断面形状は長方形とし、各流路の深さは始端から終端まで１．０ｍｍで一定とした。
【０１００】
各直線状流路の始端から終端までの長さは、すべて４５ｍｍとした。また、各直線状流路に、断面積の異なる上流部、中流部および下流部を設けた。上流部、中流部および下流部の長さは同じとした。具体的には、各直線状流路において、上流部を流路の始端から１５ｍｍまでの領域とし、その流路幅を１．０ｍｍとした。中流部を、上流部の下流側の端から１５ｍｍまでの領域とし、その流路幅を１．５ｍｍとした。下流部を、中流部の下流側の端から、流路の終端までの領域とし、その流路幅を２．０ｍｍとした。
【０１０１】
直線部の幅の中心から隣の直線部の幅の中心までの距離は、始端から終端まで３．０ｍｍで一定とした。なお、１本目の直線状流路の燃料の流れ方向に平行な外端から１５本目の直線状流路の燃料に流れ方向に外端までの合計の長さは、４３．５ｍｍとした。
上記のアノード触媒層を用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例２の直接酸化型燃料電池を作製した。
作製した燃料電池について、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【０１０２】
《比較例３》
比較例１と同様にして、直接酸化型燃料電池を作製した。作製した燃料電池に供給するメタノール水溶液の濃度を１ｍｏｌ／Ｌとしたこと以外、実施例１と同様にして発電特性の評価を行った。結果を表１に示す。
【０１０３】
【表１】
2011118138.tif 000003
【０１０４】
アノード側セパレータの燃料流路の断面積を燃料の流れの上流側から下流側に向かって段階的に拡大した実施例１〜６の燃料電池は、いずれも、断面積が一定の燃料流路を持つアノード側セパレータを用いた比較例１の燃料電池より、発電特性および燃料効率が大きく向上していた。燃料電池１〜６においては、燃料流路の上流側においてＭＣＯが低減されたことと、燃料の下流側においてメタノールの供給量を十分に確保することができたことから、これらの特性が向上したと考えられる。
【０１０５】
燃料流路の上流側の断面積が小さい範囲を、燃料流路の全長に対し最も大きくとった実施例３では、発電特性はやや低くなっているが、燃料効率が最も高くなっていた。この結果は、ＭＣＯの低減の効果が最も強く得られたからであると考えられる。
【０１０６】
上流側から下流側に向かって燃料流路の幅を多段階に変化させた実施例４の燃料電池は、発電特性が最も高くなっていた。ＭＣＯの低減とメタノール供給の確保の効果が、燃料濃度の異なるそれぞれの位置によってより適切に得られたためと考えられる。
【０１０７】
燃料流路が、互いに並行して配置された独立した２本のサーペンタイン型の流路を含む実施例５の燃料電池は、他の実施例よりも、発電特性および燃料効率がやや低くなっていた。この原因として、一時的に、２本の流路のうち、片方の流路には燃料が流れない状態が起こっていた可能性が考えられる。
【０１０８】
燃料流路の幅ではなく深さを段階的に拡大した実施例６の燃料電池は、他の実施例よりも、発電特性がやや低くなっていた。燃料流路の下流側でも流路の幅が狭いままなので、メタノールの供給量がやや確保されにくかったためと考えられる。
【０１０９】
燃料流路の幅を燃料の上流側から下流側に向かって段階的に拡大し、燃料として濃度の低いメタノール水溶液を用いた実施例７では、同じく低濃度メタノールを用いた比較例３と比較して、発電特性の向上は認められたが、その効果は濃度の高いメタノール水溶液を用いた実施例１〜６よりはやや小さかった。この原因として、燃料流路の上流側でのＭＣＯは、低濃度メタノールを用いた比較例３では元々大きくないためであると考えられる。この結果から、本発明は、高濃度のメタノールに対して、ＭＣＯの低減に関しては特に、より有効であることが分かる。燃料に含まれるメタノールの濃度を高くすることにより、燃料電池システムをより小型化することができる。
【０１１０】
アノード側セパレータの燃料流路をパラレル型とした比較例２の燃料電池では、燃料流路の幅を燃料の上流側から下流側に向かって段階的に拡大しているにもかかわらず、発電特性が最も低くなった。多数の燃料流路の直線部のうち、いくつかの流路には燃料が流れない状態が頻繁に起こっていたためと考えられる。
【０１１１】
以上より、本発明によれば、発電特性および発電効率が向上した直接酸化型燃料電池を得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明により、直接酸化型燃料電池は、優れた発電特性および発電効率を有する直接酸化型燃料電池を得ることができる。よって、本発明により、燃料電池システムの性能向上が可能である。本発明の直接酸化型燃料電池は、携帯電話、ノートＰＣ等の小型機器用の電源、およびポータブル発電機として非常に有用である。【０１１３】
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【符号の説明】
【０１１４】
１  セル
１０  電解質膜
１１  アノード
１２  カソード
１３  膜電極接合体
１４、６４、７０  アノード側セパレータ
１５  カソード側セパレータ
１６  アノード触媒層
１７  アノード拡散層
１８  カソード触媒層
１９  カソード拡散層
２０、６０  燃料流路
２０１、６０１、６０１ａ、６０１ｂ、７１１、７２１、７１１ａ、７１１ｂ、７２１ａ、７２１ｂ  直線部
２０２、６０２、６０２ａ、６０２ｂ、７１２、７２２、７１２ａ、７１２ｂ、７２２ａ、７２２ｂ  屈曲部
２１  酸化剤流路
２２、２３  ガスケット
２４、２５  集電板
２６、２７  絶縁板
２８、２９  端板
３０、３１  ヒータ
４０、７１ａ、７２ａ  上流部
４１、７１ｂ、７２ｂ  中流部
４２、７１ｃ、７２ｃ  下流部
４３、７３  燃料入口
４４、７４  燃料出口
４０ａ、４１ａ、４２ａ  主領域
４０ｂ、４１ｂ、４１ｃ、４２ｂ、６３、８１、６５、６６  接続領域
５０  上流部ユニット
５１  中流部ユニット
５２  下流部ユニット
５３、５４、６１、６２、７５、７６、７７、７８  接続部
５５  入口（燃料流路の始端）
５６  出口（燃料流路の終端）
７１、７２  流路
【図１】
2011118138.tif 000004
【図２】
2011118138.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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